CN107396311B - 一种无接触感知定位方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开一种定位方法、定位系统和计算机可读存储介质。所述方法包括：第一接收设备R1和第二接收设备R2同时从发送设备T接收射频信号，所述射频信号包含两个或更多个载波；针对两个或更多个载波中的至少一对载波，构建第一接收设备R1的M层菲涅尔区；针对所述两个或更多个载波中的至少一对载波，构建第二接收设备R2的N层菲涅尔区；根据第一接收设备R1在一时间段内接收到的所述射频信号，确定目标位于的第一接收设备R1的菲涅尔区F1；根据第二接收设备R2在相应时间段内接收到的所述射频信号，确定目标位于的第二接收设备R2的菲涅尔区F2；确定菲涅尔区F1和F2的交点；根据菲涅尔区F1和F2的交点，确定目标的位置坐标。

Description

一种无接触感知定位方法
技术领域
本发明涉及感知定位技术，尤其涉及一种基于商用WiFi设备的无接触感知定位方法。
背景技术
无接触感知定位指的是在定位目标不携带任何设备，也不与设备发生任何接触行为的情况下获得目标的位置。相比于接触式定位方式，无接触感知定位具有非侵扰性、方便、低成本的优点。而商用WiFi设备目前广泛存在于我们的日常生活中，因此实现商用WiFi设备上的无接触感知定位技术受到了广泛关注。
2013年，埃及的Heba Abdel-Nasser提出了一种解决方案(MonoPHY:Mono-Stream-based Device-free WLAN Localization via Physical Layer Information,WCNC 13,P4546-4551)，同年，香港的Xiao Jiang等人也提出类似想法(Pilot:Passive Device-freeIndoor Localization Using Channel State Information,ICDCS 13)：利用商业WiFi网卡中获得的信道状态信息(Channel State Information(CSI)，反应了信号从发射端到接收端发生的振幅和相位的变化)，事先测量目标在不同位置时对信道状态的影响，以此作为指纹在实际使用中来确定目标的实际位置。然而，该方法在建立指纹数据库时需要花费大量的劳动力，当环境发生变化时，该指纹数据库就需要更新或者重新建立，并且在定位活动目标时效果会下降。
2015年，美国的Manikanta Kotaru提出了一种解决方案(SpotFi:DecimeterLevel Localization Using WiFi,Sigcomm’15，P269-282)：利用WiFi网卡提供的30个子载波上的信息，增加虚拟天线的数量，从而降低普通WiFi网卡天线数对信号区分及到达角度估计的影响，提高直接通路信号的到达角度估计精度，从而定位WiFi信号发射设备。然而，该方法的目标是用来定位WiFi信号发射设备的位置，不能确定一个运动的反射WiFi信号的物体的位置。
2016年，美国的Kiran Joshi提出了一种解决方案(WiDeo:Fine-grained Device-free Motion Tracing using RF Backscatter,NSDI 15,P189-204)：建立一种自发自收的无线局域网设备，自己发出的信号经过反射后再被自己接收。通过后期信号处理分析出每条反射路径的长度、到达角度以及信号强度，根据定位目标的活动性找出定位目标反射的路径，最终确定目标的位置。然而，该方法需要对现有WiFi设备进行修改，改变传统的WiFi工作模式，无法在商业WiFi设备上实现。
菲涅尔区的相关概念：当射频信号由发送设备发射后，其在空间中通过多条路径达到接收端，也就是接收端接收到的信号是多个信号的叠加，根据波的干涉原理，当信号的两条路径长度相差半波长(λ/2)的奇数倍时产生减弱的信号，当信号的两条路径长度相差半波长的偶数倍时产生增强的信号。当发送设备和接收设备固定时，其直接路径(LoS)的长度是固定的，考虑反射造成的相位偏转π，当反射路径与直接路径的长度差为半波长的奇数倍时产生增强的信号，为半波长的偶数倍时产生减弱的信号，这些半波长的奇数倍和偶数倍的位置就是菲涅尔区的边界。当反射路径与直接路径的长度差为iλ/2时，即|TQi|+|QiR1|-|TR1|＝iλa/2，其中，|TQi|是Qi到发射设备T的距离，|QiR1|是Qi到接收设备R1的距离，|TR1|为收发设备之间的距离，λ为载波的波长，所有满足该条件的点构成的椭圆为第i菲涅尔区的边界。由第1菲涅尔区边界围成的椭圆称为第1菲涅尔区，以此类推，由第i菲涅尔区边界和第i+1菲涅尔区边界围成的椭圆环为第i+1菲涅尔区。图1示出了菲涅尔区、菲涅尔边界以及同心椭圆的方程，图2示出了菲涅尔区、菲涅尔区交点区域以及目标位置所在的交点区域。
当发送设备和接收设备的位置固定后，不同频率的射频信号根据自己的波长形成各自独立的菲涅尔区。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种无接触感知定位方法，基于商用WiFi设备，在目标不携带任何设备的情况下利用无线射频信号(RF)对目标进行定位，并且不需要修改商用WiFi设备的任何硬件信息，最少使用三个WiFi接收设备就能获得环境中的一个运动物体的位置。
为了便于说明，本文约定：“RF”表示无线射频信号，CSI表示信道状态信息。
本发明的原理是：文献(Hristo D Hristov.2000.Fresnal Zones in WirelessLinks,Zone Plate Lenses and Antennas.Artech House,Inc.)记载了RF信号分布空间为椭圆层次形状的空间菲涅尔区，且椭圆的大小由RF信号的波长决定；本发明以RF收发设备的位置为椭圆焦点，依据上述文献记载，对具有多个载波的WiFi信号中的每一个载波构建形状相似、大小不同的椭圆层次形状的空间菲涅尔区，从而在一维方向上构建出多个载波的空间菲涅尔区；每两个载波的空间菲涅尔区的相位差随着距离的增加而增大，从而可以通过两个载波的空间菲涅尔区之间的相位差获得目标所处的菲涅尔区；通过三个收发设备可以构建两维的多载波空间菲涅尔区，在每一维上获得目标所处的菲涅尔区，那么两维菲涅尔区的交点即为目标的实际位置。
在本发明的一个方面中，提供一种定位方法，其包括：第一接收设备R1和第二接收设备R2同时从发送设备T接收射频信号，所述射频信号包含两个或更多个载波；针对所述两个或更多个载波中的至少一对载波A，以发送设备T的位置、第一接收设备R1的位置为椭圆焦点，构建第一接收设备R1的M层菲涅尔区；针对所述两个或更多个载波中的至少一对载波B，以发送设备T的位置、第二接收设备R2的位置为椭圆焦点，构建第二接收设备R2的N层菲涅尔区；根据第一接收设备R1在一时间段内接收到的所述射频信号，在所述M层菲涅尔区中，确定目标位于的第一接收设备R1的菲涅尔区F1；根据第二接收设备R2在相应时间段内接收到的所述射频信号，在所述N层菲涅尔区中，确定目标位于的第二接收设备R2的菲涅尔区F2；确定菲涅尔区F1和F2的交点；根据菲涅尔区F1和F2的交点，确定目标的位置坐标。在一个实施例中，构建第一接收设备R1的M层菲涅尔区的步骤中所采用的载波与构建第二接收设备R2的N层菲涅区的步骤中所采用的载波来自同时从发送设备T接收的射频信号，但是载波波长可以相同，也可以不相同。
在一个实施例中，射频信号为Wi-Fi信号。
在一个实施例中，确定菲涅尔区F1的步骤和确定菲涅尔区F2的步骤进一步包括：根据第一接收设备在一时间段内接收的所述射频信号，在时间窗口TW内，计算至少一对载波A之间的菲涅尔相位差ρ1，从而确定目标位于的菲涅尔区F1；以及根据第二接收设备在相应时间段内接收的所述射频信号，在时间窗口TW内，计算至少一对载波B之间的菲涅尔相位差ρ2，从而确定目标位于的菲涅尔区F2。在一个实施例中，至少一对载波选自两个或更多个载波中的任意两个载波。在一个实施例中，至少一对载波A与至少一对载波B相同。在另一个实施例中，至少一对载波A与至少一对载波B不同。
在一个实施例中，确定目标位于的菲涅尔区F1的步骤和确定目标位于的菲涅尔区F2的步骤进一步包括：在所述时间窗口TW内，根据所述至少一对载波A之间的菲涅尔相位差ρ1和目标反射路径长度之间的线性关系，确定目标位于的菲涅尔区F1；以及在所述时间窗口TW内，根据所述至少一对载波B之间的菲涅尔相位差ρ2和目标反射路径长度之间的线性关系，确定目标位于的菲涅尔区F2。
在一个实施例中，确定菲涅尔区F1的步骤和确定菲涅尔区F2的步骤进一步包括：在时间窗口TW内，根据所述至少一对载波A之间的菲涅尔相位差ρ1，发送设备T和接收设备R1之间的距离，以及根据所述至少一对载波A的波长，确定目标位于的菲涅尔区F1；以及在所述时间窗口TW内，根据所述至少一对载波B之间的菲涅尔相位差ρ2，发送设备T和接收设备R2之间的距离，以及根据所述至少一对载波B的波长，确定目标位于的菲涅尔区F2。
在一个实施例中，确定菲涅尔区F1的步骤和确定菲涅尔区F2的步骤进一步包括：根据第一多对载波的菲涅尔相位差与其频率间隔的线性关系来确定第一斜率，然后根据该第一斜率确定目标位于的菲涅尔区F1；以及根据第二多对载波的菲涅尔相位差与其频率间隔的线性关系来确定第二斜率，然后根据该第二斜率确定目标位于的菲涅尔区F2。在一个实施例中，第一多对载波和第二多对载波相同。在另一个实施例中，第一多对载波和第二多对载波不同。
在一个实施例中，确定菲涅尔区F1的步骤和确定菲涅尔区F2的步骤进一步包括：针对所述两个或更多个载波，获得多个不同频率间隔的载波对的菲涅尔相位差，使用曲线拟合方法拟合菲涅尔相位差对载波频率间隔的斜率，根据该斜率计算目标所在菲涅尔区F1；以及针对所述两个或更多个载波，获得多个不同频率间隔的载波对的菲涅尔相位差，使用曲线拟合方法拟合菲涅尔相位差对载波频率间隔的斜率，根据该斜率计算目标所在菲涅尔区F2。
在一个实施例中，确定菲涅尔区F1和F2的交点的步骤进一步包括：以发送设备T的位置为坐标原点，根据发送设备T和接收设备R1之间的距离，发送设备T和接收设备R2之间的距离，以及菲涅尔区F1、F2的边界分别确定的椭圆方程，计算菲涅尔区F1和F2的交点。
在一个实施例中，确定菲涅尔区F1和F2的交点的步骤进一步包括：通过查询数据库获得菲涅尔区F1和F2的交点，其中数据库中存储有当目标位于M层菲涅尔区和N层菲涅尔区中的不同菲涅尔区中时的相应交点。
在一个实施例中，确定菲涅尔区F1和F2的交点，根据根据菲涅尔区F1和F2的交点，确定目标的位置坐标进一步包括：通过查询数据库获得菲涅尔区F1和F2的位置坐标，其中数据库中存储有当目标位于M层菲涅尔区和N层菲涅尔区中的不同菲涅尔区中时目标的位置坐标。
在一个实施例中，根据菲涅尔区F1和F2的交点，确定目标的位置坐标的步骤进一步包括：从发送设备T到第一接收设备R1构建第一向量，以发送设备T到第一接收设备R2构建第二向量，将第一向量和第二向量之间的夹角范围内的任一所述交点的坐标作为目标的位置坐标。
在一个实施例中，两个方向的菲涅尔区F1和菲尼尔区F2存在四个交点，则该四个交点中的任意一点的坐标作为目标的位置坐标。替代性地，该四个交点沿着椭圆曲线边界确定的区域中的任意一点的坐标可以作为目标的位置坐标。
在一个实施例中，所述M和N为大于零的自然数且取值满足以下条件：在M层菲涅尔区中，任意两个载波之间的菲涅尔相位差小于2π；以及在N层菲涅尔区中，任意两个载波之间的菲涅尔相位差小于2π。
在一个实施例中，发送设备T和接收设备R1的方向与发送设备T与接收设备R2的方向垂直。
在一个实施例中，确定菲涅尔相位差的步骤包括：根据第一接收设备在时间窗口TW内接收的射频信号，针对每组两个载波的多组载波计算多个菲涅相位差，将多个菲涅尔相位差的中位值作为菲涅尔相位差ρ1；以及根据第二接收设备在相应时间窗口内接收的射频信号，针对每组两个载波的多组载波计算多个菲涅相位差，将多个菲涅尔相位差的中位值作为菲涅尔相位差ρ1。
在一个实施例中，确定菲涅尔区F1和确定菲涅尔区F2的步骤进一步包括：根据第一接收设备在时间窗口TW内接收的射频信号，获得多个载波对的菲涅尔相位差，使用曲线拟合方法拟合其斜率，根据其斜率计算目标所在菲涅尔区F1；根据第二接收设备在相应时间窗口内接收的射频信号，获得多个载波对的菲涅尔相位差，使用曲线拟合方法拟合其斜率，根据其斜率计算目标所在菲涅尔区F2。
根据本发明的一个方面，提供一种定位系统，其包括：第一接收设备R1，其经配置执行射频信号接收；第二接收设备R2，其经配置执行射频信号接收；定位设备，其经配置根据第一接收设备R1和第二接收设备同时接收的射频信号，执行以下操作，所述射频信号包含两个或更多个载波：针对所述两个或更多个载波中的至少一对载波A，以发送设备T的位置、第一接收设备R1的位置为椭圆焦点，构建第一接收设备R1的M层菲涅尔区；针对所述两个或更多个载波中的至少一对载波B，以发送设备T的位置、第二接收设备R2的位置为椭圆焦点，构建第二接收设备R2的N层菲涅尔区；根据第一接收设备R1在一时间段内接收到的所述射频信号，在所述M层菲涅尔区中，确定目标位于的第一接收设备R1的菲涅尔区F1；根据第二接收设备在相应时间段内接收的所述射频信号，在所述N层菲涅尔区中，确定目标位于的第二接收设备R2的菲涅尔区F2；确定菲涅尔区F1和F2的交点；根据菲涅尔区F1和F2的交点，确定目标的位置坐标。
在一个实施例中，所述定位设备选自包含所述接收设备R1、所述接收设备R2或任意能够执行所述操作的外部设备的组中的一个。
在本发明的一个方面中，提供一种计算接可读存储介质，其存储有经配置由处理器执行的指令，该指令使得计算机执行各个实施例中的定位方法的操作。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供一种无接触感知定位方法，利用无线射频信号对移动目标定位，定位目标无需携带任何设备，不需要修改WiFi无线网卡的任何硬件信息，仅利用商用WiFi网卡就可以实现准确的无接触式动态目标定位，最少只需要一个Wi-Fi发射端和两个Wi-Fi接收端，就能够确定目标的位置坐标。
此外，由于本发明无需携带或接触任何设备，且射频信号(如Wi-Fi)已经广泛存在，本发明提供的技术方案具有非侵扰性、方便、低成本的优点。
附图说明
图1示出菲涅尔区、菲涅尔边界和同焦点椭圆的方程；
图2示出菲涅尔区、菲涅尔区交点区域以及目标位置所在的交点区域；
图3是本发明的一个实施例搭建的定位系统，其中，(a)为发送设备(其支持包括Wi-Fi信号的射频信号发射，例如Wi-Fi设备，)；(b)和(c)为接收设备(其支持包括Wi-Fi信号的射频信号接收，例如Wi-Fi设备)；
图4是根据本发明的一个实施例的基于Wi-Fi的无接触感知定位方法的流程框图。
图5以方框图的形式描述了一种示例数据处理系统。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例进一步描述本发明，本领域技术人员能够理解的是，该具体描述目的不在于以任何方式限制本发明的范围。
图3是根据本发明的一个实施例的定位系统的框图，其中，(a)为发送设备(其支持包括Wi-Fi信号的射频信号发射，例如Wi-Fi设备，)；(b)和(c)为接收设备(其支持包括Wi-Fi信号的射频信号接收，例如Wi-Fi设备)。应当理解的是，在一个实施例中，发送设备(a)可以不是定位系统的一部分。例如，发送设备可以是需要进行定位的场所中所具有能够进行射频信号发送(例如Wi-Fi信号发送的设备)，其能够发送信号以协助定位系统进行定位，但其本身不是定位系统的一部分。在一个实施例中，定位系统不包括发送设备(a)，但是包括经配置能够执行本文描述的定位方法的其他设备。在不包括发送设备(a)的实施例中，定位系统能够包括接收设备(b)或(c)或者经配置能够执行本文描述的定位方法的其他设备。在一个实施例中，定位系统不包括发送设备(a)，也不包括经配置能够执行本文描述的定位方法的其他设备，接收设备(b)和接收设备(c)中的一个经配置执行本文描述的定位方法。在一个实施例中，定位系统不包括发送设备(a)，也不包括经配置能够执行本文描述的定位方法的其他设备，接收设备(b)和接收设备(c)两者经配置协作执行本文描述的定位方法。通过本对本发明各个实施例的描述，本领域技术人员能够理解上述各种定位系统的变形和修改，其均落入本发明的保护范围内。
在图3中的定位系统以及本发明的其他实施例的定位系统中，取决于系统实时性、实现成本和测量精度等，收发设备的天线可适当增加或减少。例如，在一个实施例中，发送设备或接收设备的天线可选择为3根。在另一个实施例中，发送设备或接收设备的天线可选择为2根。应当理解，为了实施本发明中的定位方法，在发送设备或接收设备上需要分别安装至少一根天线，分别用于发送信号或接收信号。
在一个实施例中，定位系统中的发送设备和接收设备的天线，例如，可以是垂直极化的全向天线且垂直地面放置。在一个实施例中，从发送设备T到接收设备R1的向量方向，例如，可以与从发送设备T到接收设备R2的向量方向成直角。在其他实施例中，从发送设备T到接收设备R1的向量方向，例如，可以与从发送设备T到接收设备R2的向量方向成锐角或钝角。
在一个实施例中，发送设备T和接收设备R1和R2，例如，可以是笔记本电脑、MiniPC、路由器以及任何支持RF(射频)信号收发的设备。
图4是根据本发明的一个实施例的基于Wi-Fi的无接触感知定位方法的流程框图，其适于使用图3中以及本发明中其他实施例中的定位系统进行无接触感知定位方法。
需要指出的是，相同的移动目标在相同时间位于定位环境中时，该移动目标引起的发送设备所发送的信号中的扰动在同时传达到不同接收设备时，接收设备R1和接收设备R2使用前面累积收到的一段时间信号形成的时间窗口对信号进行处理，以迭代滑动的方式在固定的时间窗口逐步进行。比如有5秒钟的信号，时间窗口是0.05秒，那么整个信号可以划分为100个时间窗口，使用每个时间窗口内的信号进行一次定位，也就是进行了100次定位；迭代的意思是每次定位为了使用更长时间的信号，例如，使用两个窗口定位，每次向后移动例如一个时间窗口。例如，先使用1、2时间窗口内的信号进行一次定位，下一次使用2、3时间窗口内的信号进行定位。本领域技术人员能够理解的是，为了使用更长时间的信号进行定位，可以选择其他长度的时间窗口进行定位，并且每次迭代可以移动其他数量的时间窗口。
图4中的方法开始于步骤410。需要注意的是，图4仅以示例的方式描述本发明的一个实施例，其中，用于执行图4中所示方法需要至少三台收发设备，一台发射设备(T)能提供射频信号例如Wi-Fi信号以提供信道状态信息，两台接收设备(R1和R2)能接收射频信号例如Wi-Fi信号以确定信道状态信息；待定位的移动目标不携带任何设备。通过利用RF(射频)信号对定位目标实现无接触感知定位，获得目标的精确位置。
在步骤410处，第一接收设备R1和第二接收设备R2同时从发送设备T接收射频信号，所述射频信号包含两个或更多个载波。本领域技术人员能够理解，第一接收设备R1和第二接收设备R2同时从发送设备T接收射频信号指的是，相同的移动目标在相同时间位于定位环境中时，该移动目标引起的发送设备所发送的信号中的扰动同时传达到不同接收设备R1和R2。接收设备R1和接收设备R2根据接收的累计信号对时间窗口内的信号进行处理，从而定位移动目标，如上文所述。
在步骤420中，针对所述两个或更多个载波中的至少一对载波，以发送设备T的位置、第一接收设备R1的位置为椭圆焦点，构建第一接收设备R1的M层菲涅尔区。在步骤430处，针对所述两个或更多个载波中的至少一对载波，以发送设备T的位置、第二接收设备R2的位置为椭圆焦点，构建第二接收设备R2的N层菲涅尔区。
步骤430与步骤420中的方法类似，因此为简洁描述，本文以发送设备T的位置和接收设备R1的位置为例，具体描述构建第一接收设备R1的M层菲涅尔区的步骤。本领域技术人员参考该描述，将能够理解并实施针对所述两个或更多个载波中的至少一对载波，以发送设备T的位置和第二接收设备R2的位置，构建第二接收设备的N层菲涅尔区的步骤。
针对所述两个或更多个载波中的至少一对载波，以发送设备T的位置、第一接收设备R1的位置为椭圆焦点，构建第一接收设备R1的M层菲涅尔区的步骤如下：
确定波长为λa的第a个载波的M层菲涅尔区；令Qi是第i层同心椭圆的轨迹，则Qi的轨迹满足：
|TQi|+|QiR1|-|TR1|＝iλa/2 (式1)
其中，|TQi|是Qi到发射设备T的距离，|QiR1|是Qi到接收设备R1的距离，|TR1|为收发设备之间的距离，λa为第a个载波的波长，M为菲涅尔区的最大层数，由内层到外层分别为第1菲涅尔区到第M菲涅尔区；取决于关注的范围，M越大，该层菲涅尔区距离收发设备越远。
例如，参照图2，获得通过目标反射的信号的总路径长度，相当于获得椭圆菲涅尔区的2an，由于已知发送设备和接收设备之间的距离d0，其相当于2c，因此，由an 2-c2＝bn 2可以获得目标所在的菲涅尔区的椭圆方程
Figure BDA0001352128940000091
M可以根据实际情况设置取值。例如，为消除二义性，M为大于零的自然数且取值满足：在M层菲涅尔区中，任意两个载波之间的菲涅尔相位差小于2π。类似地，针对所述两个或更多个载波中的至少一对载波，在以发送设备T的位置和接收设备R2的位置，构建N层菲涅尔区时，N为大于零的自然数且取值满足：在N层菲涅尔区中，任意两个载波之间的菲涅尔相位差小于2π。
定位目标穿过菲涅尔区时产生的信号为
Figure BDA0001352128940000101
其中，
Figure BDA0001352128940000102
为信号经过目标反射后的信号的路径长度(即从发送设备T到接收设备R1的经过反射的信号总路径长度)，λ为子载波的波长，静态向量Hs(λ)为LoS信号，动态向量
Figure BDA0001352128940000109
为反射信号，
Figure BDA0001352128940000103
为静态向量Hs(λ)和动态向量
Figure BDA0001352128940000104
之间的相位差，称为菲涅尔相位，即，菲涅尔相位为经过发送设备到接收设备的直接路径和经由发射目标的反射路径的信号之间的相位差，可以表示为
Figure BDA0001352128940000105
其中，d0是LoS信号的长度，其中LoS为视距信号或者直接路径信号，即从发送设备T到接收设备R1的直接路径长度，
Figure BDA0001352128940000106
为反射路径的长度，即从发送设备T到接收设备R1的经过定位目标反射的信号的总路径长度。当d0和λ固定时，菲涅尔相位随着反射路径的长度而变化。
构建针对以发送设备T和接收设备R1为焦点的方向的一维多载波M层菲涅尔区。Wi-Fi设备通常可以提供多个载波。例如，5300网卡可以提供30个子载波，每个子载波之间的波长有轻微的差距，那么不同载波之间的菲涅尔相位具有一定的差值，即，两个载波之间菲涅尔相位的差值被称为菲涅尔相位差，表示为
Figure BDA0001352128940000107
其中，Δf为两个载波λa和λb之间的频率差，c为光速。两个载波之间的菲涅尔相位差与其频率间隔具有线性关系，其斜率为
Figure BDA0001352128940000108
当两个载波固定时，其频率间隔是固定的，为Δf＝(a-b)Δfs，其中a、b分别是载波的编号，Δfs为相邻载波之间的频率差，是一个固定值，以Intel 5300为例，有30个载波可以使用，在40MHz的带宽下，Δfs＝1.25MHz，在20MHz的带宽下，Δfs＝625KHz。
在步骤440中，确定针对以发送设备T和接收设备R1为焦点的一维方向上目标在M层菲涅尔区中所在的菲涅尔区F1。由式4可以知道，只要获得了两个载波之间的菲涅尔相位差，就能获得由目标反射的信号的总路径长度，也就获得目标所在的菲涅尔区。例如，参照图2，获得通过目标反射的信号的总路径长度，相当于获得椭圆菲涅尔区的2an，由于已知发送设备和接收设备之间的距离d0，其相当于2c，因此，由an 2-c2＝bn 2能够获得目标所在的菲涅尔区的椭圆方程
Figure BDA0001352128940000111
利用Wi-Fi设备，根据CSI信息，获得目标所在的菲涅尔区的步骤包括：根据接收信号在滑动窗口内的周期数和时间差估计菲涅尔相位差，其中周期数计算方法包括：1、使用快速傅里叶变换转换到频域，其主频率为所要周期数；2、寻找信号的波峰处，根据其所占时间的大小估计周期数，具体步骤如下：
对CSI信号进行平滑和标准化处理，使得信号具有可比性；
在一个时间窗口内计算两个载波之间的时延，设定时间窗口，使用互相关的方法求得相关性最大的时延为两个载波之间的时延；
估计时间窗口内的周期数，联合使用FFT频域方法与数波峰方法计算精确的周期数；
根据时延和周期数计算两个载波之间的菲涅尔相位差；
由菲涅尔相位差获得目标所在的菲涅尔区，例如，直接通过几何映射的方法获得目标所在的菲涅尔区，其中几何映射是指通过查询数据库或数据表获得目标所在的菲涅尔区，其中数据库或数据表中预先存储有不同相位差对应的菲涅尔区。替代性地，可以根据不同频率间隔的载波对(每组两个载波)之间的菲涅尔相位差对频率间隔的斜率来确定目标所在菲涅尔区。
在步骤450中，确定针对以发送设备T和接收设备R2为焦点的一维方向上目标在N层菲涅尔区中所在的菲涅尔区F2。该步骤类似于步骤440中的步骤，为简洁描述，不再赘述。本领域技术人员通过参考对步骤440的描述，能够理解并实施步骤450中的步骤。
在步骤460中，确定菲涅尔区F1和F2的交点。在步骤470中，根据菲涅尔区F1和F2的交点，确定目标的位置坐标。也就是，确定目标在二维(即发送设备T、接收设备R1和接收设备R2所在的平面)上的位置坐标，在获得每一维方向上目标所在的菲涅尔区的基础上，使用解析或者映射的方法获得目标在二维上的位置坐标，其中解析方法是指通过计算两种菲涅尔区的椭圆方程的交点坐标获得位置坐标，映射方法是指通过查询数据库或数据表获得目标在二维方向上的位置坐标，其中数据库或数据表中预先存储有针对在每一维上的不同菲涅尔区对应的二维方向上的位置坐标。
需要指出的是，上述各种特征和步骤可以彼此独立使用，或可以以各种方式结合。所有可能的组合和子组合旨在落入本申请的范围内。此外，在一些实施方式中可以省略某些步骤或过程块。本文描述的方法和步骤也不限于任何特定顺序，并且能够以合适的其他顺序执行。例如，描述的步骤可以以不同于具体公开的顺序的顺序执行，或多个步骤可以在单个块中组合。示例步骤或过程块可以串行、并行或以某种其他方式执行。步骤或过程块可以被添加到所公开的示例实施例中或从所公开的示例实施例中移除。本文描述的示例系统和部件可以配置为不同于所描述的结构。例如，设备可以被添加到所公开的示例实施例、从所公开的示例实施例中移除或不同于所公开的示例实施例被重新布置。
为了更清楚地传达本发明的技术方案，下面进一步描述了一个更具体的实施例。以下实施例使用中心频率为5.745GHz的WiFi信号作为RF信号；使用搭载8db全向天线、Intel 5300网卡的MiniPC作为RF收发设备，CSI中包含30个载波，带宽为40MHz，则载波间隔为1.25MHz。
以室外空旷环境为例，根据本发明提供的无接触感知定位方法，执行如下步骤：
将RF收发设备(MiniPC)上的收发天线垂直地面放置，RF接收设备分别距离发送设备6m，且互相垂直，发送设备的位置标记为T，接收设备的位置分别标记为R1，R2；
分别以T、R1和T、R2为一维方向上的椭圆焦点，在两维方向上针对不同波长的信号分别构建长轴为6m的k层菲涅尔区；本发明中为了消除二义性，要求k的取值满足载波之间菲涅尔相位差小于2π，所以取k值为230。
令Qi是以T、R1为焦点的第i层同心椭圆的轨迹，则Qi的轨迹满足式1：
|TQi|+|QiR1|-|TR1|＝iλa/2 (式1)
其中，|TQi|是Qi到发射设备T的距离，|QiR1|是Qi到接收设备R1的距离，|TR1|为收发设备之间的距离，λa为第a个载波的波长；
定位目标穿过菲涅尔区时产生的信号为
Figure BDA0001352128940000121
其中，
Figure BDA0001352128940000122
为信号经过目标反射后的信号的路径长度，λ为子载波的波长，静态向量Hs(λ)为LoS信号，动态向量
Figure BDA0001352128940000131
为反射信号，
Figure BDA0001352128940000132
为静态向量Hs(λ)和动态向量
Figure BDA0001352128940000133
之间的相位差，称为菲涅尔相位，可以表示为
Figure BDA0001352128940000134
其中，d0是LoS信号的长度，当d0和λ固定时，菲涅尔相位随着反射路径的长度而变化。本实施例中，d0＝6m，
Figure BDA0001352128940000135
由目标的位置决定。
构建一维多载波菲涅尔区，WiFi设备可以提供多个载波，Intel 5300网卡可以提供30个子载波，每个子载波之间的波长有轻微的差距，那么不同载波之间的菲涅尔相位具有一定的差值，表示为
Figure BDA0001352128940000136
其中，Δf为两个载波λa和λb之间的频率差，c为光速。本实施例中，Δf＝(a-b)·1.25，c＝3×108m/s，并且动态选择多组载波，以消除异常点的影响，使得结果更准确。两个载波之间的菲涅尔相位差与其频率间隔具有线性关系，其斜率为
Figure BDA0001352128940000137
所以通过求其斜率也能获得目标所在菲涅尔区。
确定一维方向上目标所在菲涅尔区，由式4可以知道，只要获得了两个载波之间的菲涅尔相位差，就能获得由目标反射的信号的路径长度，也就获得目标所在的菲涅尔区，根据CSI信息获得目标所在的菲涅尔区包括
对CSI信号进行平滑和标准化处理，使得信号具有可比性；本实施例中使用Savitzky-Golay降噪技术进行了10次平滑处理，并使用zscore方法进行标准化处理；
在一个时间窗口内计算两个载波之间的时延，设定时间窗口，使用互相关的方法求得相关性最大的时延为两个载波之间的时延；本实施例中设置信号的采样频率为500，使用0.05秒的时间窗口，即25个采样点，并重叠一个时间窗口计算两个载波之间的时延；
估计时间窗口内的周期数，联合使用FFT频域方法与数波峰方法计算精确的周期数；本实施例中先用FFT方法计算准确的周期数，然后使用数波峰方法计算更加精确的周期数，以两种方法中最优的周期数为该时间窗口内的周期数，即以FFT方法计算的周期数为标准，若使用数波峰的方式计算的周期与FFT方法的周期之间的误差在0.5的范围内，以数波峰的方式计算的周期为准，否则以FFT方法的周期为准。例如，FFT方法计算为2个周期，数波峰方法计算为2.7个周期，则最终结果为2个周期；若FFT方法计算为2个周期，数波峰方法计算为2.1个周期，则最终结果为2.1个周期；
根据时延和周期数计算两个载波之间的菲涅尔相位差；本实施例中，两个载波之间的菲涅尔相位差为
Figure BDA0001352128940000141
ΔT为从信号中获得的时延，N为从信号中获得的周期数，ws为时间窗口大小，即25个采样点；
由菲涅尔相位差直接通过数学公式获得目标所在的菲涅尔区，由式4即可获得目标所在的菲涅尔区；或者根据不同间隔的载波对之间的菲涅尔相位差的斜率来确定目标所在位置。
确定目标在二维上的位置坐标，在获得每一维方向上目标所在的菲涅尔区的基础上，使用解析或者映射的方法获得目标在二维上的位置坐标，即求两个椭圆的交点为目标的实际位置，限定两维坐标都大于0，即可唯一确定一个交点，也就是目标的位置坐标。
图5以方框图的形式描述了数据处理系统。数据处理系统500可用于实施本发明中的各种系统。
如图所示，数据处理系统500包括通信架构502，其提供处理器单元504、存储装置506、通信单元508、输入/输出单元510和显示器之间的通信。在一些情形中，通信架构502可以被实施为总线系统。
处理器单元504被配置为执行软件的指令从而执行若干操作。处理器单元504根据实施可以包括若干处理器、多核处理器和/或一些其他类型的处理器。在一些情形中，处理器单元504可以采用硬件单元的形式，例如，电路系统、专用集成电路(ASIC)、可编程逻辑器件或一些其他合适类型的硬件单元。
处理器单元504运行的操作系统的指令、应用程序和/或程序可位于存储装置506中。存储装置506可以通过通信架构502与处理器单元504通信。如本文所用的，存储装置也被称为计算机可读存储装置，是任何能够将信息暂存和/或永久性存储的任何一件硬件。该信息可以包括，但不限于，数据、程序代码和/或其他信息。
存储器514和持久存储器516是存储装置506的实例。存储器514可以采用，例如随机存取存储器或一些易失性或非易失性存储装置的形式。持久存储器516可以包括任何数量的组件和装置。例如，持久存储器516可以包括硬件设备、闪存、可重写光盘、可重写磁带或上述其他组合。持久存储器516使用的媒介可以是或可以不是可拆卸的。
通信单元508允许数据处理系统500与其他数据处理系统和/或设备通信。通信单元508可以使用物理和/或无线通信链路提供通信。
输入/输出单元510允许从与数据处理系统500相连的其他设备处接收输入和发送输出。例如，输入/输出单元510可以允许用户通过键盘、鼠标和/或一些其他类型输入设备接收输入。作为另一个例子，输入/输出单元510可以允许发送输出至与数据处理系统500相连的打印机。
显示器512被配置为向用户显示信息。显示器512可以包括，例如，但不限于，监视器、触摸屏、激光显示器、全息显示器、虚拟显示设备和/或一些其他类型显示设备。
在这个示例性实例中，通过处理器单元504使用计算机实施指令可以执行不同示例性实施例的过程。这些指令可以被称为程序代码、计算机可用程序指令或计算机可读程序代码，而且处理器单元504中的一个或更多处理器可以读取和执行。
在这些实例中，程序代码518以功能性形式位于计算机可读介质520中，而且可以被加载到或被传输到数据处理系统500以被处理器单元执行，其中计算机可读介质520可以被选择性拆卸。程序代码518和计算机可读介质520共同形成计算机程序产品522。在这个示例性实例中，计算机可读介质520可以是计算机可读存储介质524或计算机可读信号介质526。
计算机可读存储介质524是用于存储程序代码518的物理的或有形存储设备而不是传播或传输程序代码518的媒介。计算机可读存储设备524可以是，例如，但不限于，与数据处理系统相连的光或磁盘或持续存储设备。
可替换地，使用计算机可读信号介质可以将程序代码518传输到数据处理系统500中。计算机可读信号介质526可以是，例如，包含程序代码518的传播的数据信号。该数据信号可以是电磁信号、光信号和/或一些其他能够通过物理和/或无线通信链路传输的信号。
图5所示的数据处理系统500并不意图提供可以实施这些示例性实施例的方式的结构限制。可以实施不同示例性实施例的数据处理系统包括附加组件或替代数据处理系统500所示的那些组件的组件。此外，图5中所示组件可以与所示实例中的不同。
本领域普通技术人员将理解，结合本文中所公开的示例所描述的各种说明性逻辑块、模块及过程可实施为电子硬件、计算机软件或两者的组合。此外，前述过程能够体现为计算机可读介质，其使处理器或计算机进行或执行某些功能。
为了清楚地说明硬件和软件的这种可交换性，上文通常就它们的功能对各种说明性的部件、框和模块进行了描述。该功能是被实现为硬件还是软件取决于特定的应用和施加于整个系统上的设计约束。本领域普通技术人员可以对每个特定的应用以不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现决策不应解释为超出本公开的范围。
结合这里所公开的示例所描述的各种说明性的逻辑块、单元、模块和控制器可以利用通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其他可编程逻辑器件、分立门或晶体管逻辑、分立硬件部件、或者设计为实现这里所描述的功能的任何组合来实现或者执行。通用处理器可以是微处理器，但是在替代方案中，处理器可以是任何常规处理器、控制器、微控制器或状态机。处理器也可以实现为计算装置的组合，例如，DSP与微处理器的组合、多个微处理器、一个或多个微处理器结合DSP核或者任何其他此类配置。
结合本文中公开的示例所描述的方法或过程的行为可直接在硬件中、在由处理器执行的软件模块中、或在这两者的组合中体现。方法或算法的步骤还可以与在示例中所提供的那些不同的替代顺序来执行。软件模块可以存在于RAM存储器、闪速存储器、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器、寄存器、硬盘、可移除介质、光学介质或者本领域已知的任何其他形式的存储介质中。示例性存储介质耦合到处理器，使得该处理器能够从/向该存储介质读写信息。在替代方案中，存储介质可以与处理器集成。处理器和存储介质可以驻留在专用集成电路(ASIC)中。
需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (22)

1.一种定位方法，其包括：
第一接收设备R1和第二接收设备R2同时从发送设备T接收射频信号，所述射频信号包含两个或更多个载波；
针对所述两个或更多个载波中的至少一对载波A，以发送设备T的位置、第一接收设备R1的位置为椭圆焦点，构建第一接收设备R1的M层菲涅尔区；
针对所述两个或更多个载波中的至少一对载波B，以发送设备T的位置、第二接收设备R2的位置为椭圆焦点，构建第二接收设备R2的N层菲涅尔区；
根据第一接收设备R1在一时间段内接收到的所述射频信号，在所述M层菲涅尔区中，确定目标位于的第一接收设备R1的菲涅尔区F1；
根据第二接收设备R2在相应时间段内接收到的所述射频信号，在所述N层菲涅尔区中，确定目标位于的第二接收设备R2的菲涅尔区F2；
确定菲涅尔区F1和F2的交点；
根据菲涅尔区F1和F2的交点，确定目标的位置坐标。
2.根据权利要求1所述的定位方法，其中，所述射频信号为Wi-Fi信号。
3.根据权利要求1和2中任一项所述的定位方法，其中，确定目标位于的菲涅尔区F1的步骤和确定目标位于菲涅尔区F2的步骤进一步包括：
根据第一接收设备R1在一时间段内接收的所述射频信号，在时间窗口TW内，计算至少一对载波A之间的菲涅尔相位差ρ1，从而确定目标位于的菲涅尔区F1；以及
根据第二接收设备R2在相应时间段内接收的所述射频信号，在所述时间窗口TW内，计算至少一对载波B之间的菲涅尔相位差ρ2，从而确定目标位于的菲涅尔区F2。
4.根据权利要求3所述的定位方法，其中，确定目标位于的菲涅尔区F1的步骤和确定目标位于的菲涅尔区F2的步骤进一步包括：
在所述时间窗口TW内，根据所述至少一对载波A之间的菲涅尔相位差ρ1和目标反射路径长度之间的线性关系，确定目标位于的菲涅尔区F1；以及
在所述时间窗口TW内，根据所述至少一对载波B之间的菲涅尔相位差ρ2和目标反射路径长度之间的线性关系，确定目标位于的菲涅尔区F2。
5.根据权利要求4所述的定位方法，其中，确定目标位于的菲涅尔区F1的步骤和确定目标位于的菲涅尔区F2的步骤进一步包括：
在所述时间窗口TW内，根据所述至少一对载波A之间的菲涅尔相位差ρ1，发送设备T和接收设备R1之间的距离，以及根据所述至少一对载波的波长，确定目标位于的菲涅尔区F1；以及
在所述时间窗口TW内，根据所述至少一对载波B之间的菲涅尔相位差ρ2，发送设备T和接收设备R2之间的距离，以及根据所述至少一对载波的波长，确定目标位于的菲涅尔区F2。
6.根据权利要求3所述的定位方法，其中，确定目标位于的菲涅尔区F1的步骤和确定目标位于的菲涅尔区F2的步骤进一步包括：
根据第一多对载波的菲涅尔相位差与其频率间隔的线性关系来确定第一斜率，然后根据该第一斜率确定目标位于的菲涅尔区F1；以及
根据第二多对载波的菲涅尔相位差与其频率间隔的线性关系来确定第二斜率，然后根据该第二斜率确定目标位于的菲涅尔区F2。
7.根据权利要求1所述的定位方法，其中，确定菲涅尔区F1和F2的交点的步骤进一步包括：
以发送设备T的位置为坐标原点，根据发送设备T和接收设备R1之间的距离，发送设备T和接收设备R2之间的距离，以及菲涅尔区F1、F2的边界分别确定的椭圆方程，计算菲涅尔区F1和F2的交点。
8.根据权利要求1所述的定位方法，其中，确定菲涅尔区F1和F2的交点的步骤进一步包括：
通过查询数据库获得菲涅尔区F1和F2的交点，其中数据库中存储有当目标位于M层菲涅尔区和N层菲涅尔区中的不同菲涅尔区中时的相应交点。
9.根据权利要求7和8中任一项所述的定位方法，其中，根据菲涅尔区F1和F2的交点，确定目标的位置坐标的步骤进一步包括：
从发送设备T到第一接收设备R1构建第一向量，以发送设备T到第一接收设备R2构建第二向量，将第一向量和第二向量之间的平角范围内的夹角范围内的任一所述交点的坐标作为目标的位置坐标。
10.根据权利要求1所述的定位方法，其中，所述M和N为大于零的自然数且取值满足以下条件：
在M层菲涅尔区中，任意两个载波之间的菲涅尔相位差小于2π；以及
在N层菲涅尔区中，任意两个载波之间的菲涅尔相位差小于2π。
11.一种定位系统，其包括：
第一接收设备R1，其经配置执行射频信号接收；
第二接收设备R2，其经配置执行射频信号接收；
定位设备，其经配置根据第一接收设备R1和第二接收设备同时接收的射频信号，执行以下操作，其中所述射频信号包含两个或更多个载波：
针对所述两个或更多个载波中的至少一对载波A，以发送设备T的位置、第一接收设备R1的位置为椭圆焦点，构建第一接收设备R1的M层菲涅尔区；
针对所述两个或更多个载波中的至少一对载波B，以发送设备T的位置、第二接收设备R2的位置为椭圆焦点，构建第二接收设备R2的N层菲涅尔区；
根据第一接收设备R1在一时间段内接收的所述射频信号，在所述M层菲涅尔区中，确定目标位于的第一接收设备R1的菲涅尔区F1；
根据第二接收设备R2在相应时间段内接收的所述射频信号，在所述N层菲涅尔区中，确定目标位于的第二接收设备R2的菲涅尔区F2；
确定菲涅尔区F1和F2的交点；
根据菲涅尔区F1和F2的交点，确定目标的位置坐标。
12.根据权利要求11所述的定位系统，其中，所述定位设备选自包含所述接收设备R1、所述接收设备R2或任意能够执行所述操作的外部设备的组中的一个。
13.根据权利要求11所述的定位系统，其中，所述射频信号包括Wi-Fi信号。
14.根据权利要求11所述的定位系统，其中，确定目标位于的菲涅尔区F1的步骤和确定目标位于的菲涅尔区F2的步骤进一步包括：
根据第一接收设备R1在一时间段内接收的所述射频信号，在时间窗口TW内，计算至少一对载波A之间的菲涅尔相位差ρ1，从而确定目标位于的菲涅尔区F1；以及
根据第二接收设备R2在相应时间段内接收的所述射频信号，在所述时间窗口TW内，计算至少一对载波B之间的菲涅尔相位差ρ2，从而确定目标位于的菲涅尔区F2。
15.根据权利要求14所述的定位系统，其中，确定目标位于的菲涅尔区F1的步骤和确定目标位于的菲涅尔区F2的步骤进一步包括：
在所述时间窗口TW内，根据所述至少一对载波A之间的菲涅尔相位差ρ1和目标反射路径长度之间的线性关系，确定目标位于的菲涅尔区F1；以及
在所述时间窗口TW内，根据所述至少一对载波B之间的菲涅尔相位差ρ2和目标反射路径长度之间的线性关系，确定目标位于的菲涅尔区F2。
16.根据权利要求15所述的定位系统，其中，确定目标位于的菲涅尔区F1的步骤和确定目标位于的菲涅尔区F2的步骤进一步包括：
在所述时间窗口TW内，根据所述至少一对载波A之间的菲涅尔相位差ρ1，发送设备T和接收设备R1之间的距离，以及根据所述至少一对载波的波长，确定目标位于的菲涅尔区F1；以及
在所述时间窗口TW内，根据所述至少一对载波B之间的菲涅尔相位差ρ2，发送设备T和接收设备R2之间的距离，以及根据所述至少一对载波的波长，确定目标位于的菲涅尔区F2。
17.根据权利要求11所述的定位系统，其中，确定目标位于的菲涅尔区F1的步骤和确定目标位于的菲涅尔区F2的步骤进一步包括：
根据第一多对载波的菲涅尔相位差与其频率间隔的线性关系来确定第一斜率，然后根据该第一斜率确定目标位于的菲涅尔区F1；以及
根据第二多对载波的菲涅尔相位差与其频率间隔的线性关系来确定第二斜率，然后根据该第二斜率确定目标位于的菲涅尔区F2。
18.根据权利要求11所述的定位系统，其中，确定菲涅尔区F1和F2的交点的步骤进一步包括：
以发送设备T的位置为坐标原点，根据发送设备T和接收设备R1之间的距离，发送设备T和接收设备R2之间的距离，以及菲涅尔区F1、F2的边界分别确定的椭圆方程，计算菲涅尔区F1和F2的交点。
19.根据权利要求11所述的定位系统，其中，确定菲涅尔区F1和F2的交点的步骤进一步包括：
通过查询数据库获得菲涅尔区F1和F2的交点，其中数据库中存储有当目标位于M层菲涅尔区和N层菲涅尔区中的不同菲涅尔区中时的相应交点。
20.根据权利要求18和19中任一项所述的定位系统，其中，根据菲涅尔区F1和F2的交点，确定目标的位置坐标的步骤进一步包括：
从发送设备T到第一接收设备R1构建第一向量，以发送设备T到第一接收设备R2构建第二向量，将第一向量和第二向量之间的平角范围内的夹角范围内的任一所述交点的坐标作为目标的位置坐标。
21.根据权利要求11所述的定位系统，其中，所述M和N为大于零的自然数且取值满足以下条件：
在M层菲涅尔区中，任意两个载波之间的菲涅尔相位差小于2π；以及
在N层菲涅尔区中，任意两个载波之间的菲涅尔相位差小于2π。
22.一种计算机可读存储介质，其存储有经配置由处理器执行的指令，该指令使得计算机执行根据权利要求1-10中任一项所述的方法。
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